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DE3608471A1 - Mikrowellen-oszillator mit stabilisierung durch eine dielektrischen resonator - Google Patents

Mikrowellen-oszillator mit stabilisierung durch eine dielektrischen resonator

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DE3608471A1
DE3608471A1 DE19863608471 DE3608471A DE3608471A1 DE 3608471 A1 DE3608471 A1 DE 3608471A1 DE 19863608471 DE19863608471 DE 19863608471 DE 3608471 A DE3608471 A DE 3608471A DE 3608471 A1 DE3608471 A1 DE 3608471A1
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Heinz-Peter Feldle
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mikrowellen-Oszil­ lator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher mit einem dielektrischen Resonator stabilisierter Mikro­ wellen-Oszillator ist aus G. Begemann, J. Göhler, "Fre­ quenzstabilisierung von Mikrostrip-FET-Oszillatoren mit dielektrischen Resonatoren", NTG-Fachberichte 1981, "Rundfunk-Satellitensysteme", Saarbrücken, 19-21.10.1982, Seite 252 bis 259 bekannt.
Dielektrische Resonatoren sind Körper aus einem Dielek­ trikum mit hoher Dielektrizitätszahl, d.h. aus einer dielektrischen Keramik. Aufgrund der hohen Differenz zwischen der Dielektrizitätszahl des Resonators und der­ jenigen seiner Umgebung können sich bei entsprechender Anregung im Resonator stehende elektromagnetische Wellen ausbilden. Die elektrischen und magnetischen Felder di­ elektrischer Resonatoren haben ähnliche Konfigurationen wie diejenigen von Hohlraumresonatoren. Innerhalb des dielektrischen Resonators sind die Felder hochkonzen­ triert. Über die schwächeren äußeren magnetischen Felder können Resonatoren untereinander oder an Leitungsstücke gekoppelt werden. Durch Beeinflussung der äußeren magne­ tischen oder elektrischen Felder können dielektrische Resonatoren auch bezüglich ihrer Resonanzfrequenz abge­ stimmt werden.
Zur Abstimmung der dielektrischen Resonatoren sind me­ tallische Abstimmittel in Form von Stiften oder Platten geeignet, die an einem Bügel oder an einem Gehäusedeckel befestigt sind und bezüglich ihres Abstandes von der Oberfläche, und zwar der Oberseite des dielektrischen Resonators z.B. mit einer Stellschraube veränderbar sind. Diese Abstimmittel berühren also den Resonator nicht, sondern werden lediglich in das den Resonator umgebende Feld (Streufeld) eingetaucht.
Die Abstimmung mit Hilfe der bekannten Abstimmittel macht es erforderlich, die Abstimmittel sehr nahe (eini­ ge Zehntel Millimeter bis einige Millimeter) an den Re­ sonator heranzubringen und dort während des Betriebs mit hoher Genauigkeit zu halten. Dadurch ist ein hoher me­ chanischer Aufwand notwendig zur Fixierung der Abstim­ mittel in der Nähe des Resonators, wobei die Schock- und Vibrationsempfindlichkeit bzw. der Temperaturgang der einzelnen Teile zu berücksichtigen ist.
Zwar kann der Temperaturgang durch geeignete Material­ wahl und Dimensionierung der Abstimmittel und des Gehäu­ ses in gewissen Grenzen ausgeglichen werden, jedoch reicht diese Möglichkeit nicht in allen Anwendungsfällen aus, um einen den Anforderungen entsprechenden Oszilla­ tor herzustellen. Außerdem ist eine aufwendige Selektion von dielektrischen Resonatoren erforderlich, die den Temperaturgang anderer Oszillator-Elemente kompensieren. Eine solche Auswahl und die mechanische Abstimmung er­ schweren eine Automatisierung der Herstellung.
Aus T. Otobe, Y. Komatsu, Y. Murakami, "A low-drift os­ cillator stabilized by a highly senstive discriminator", 13th European Microwave Conference Proceedings, Nürn­ berg, 1983, Seite 319 bis 324 ist ein Mikrowellen-Oszil­ lator mit einem dielektrischen Resonator bekannt, der mit Hilfe eines mikroprozessorgesteuerten Diskriminators temperaturstabilisiert ist. Die dabei vorgesehene Anord­ nung zur Temperaturstabilisierung ist sehr aufwendig, da außer einem Mikroprozessor-System ein Wärmefühler und ein als analog arbeitender Frequenzzähler benutzter Dis­ kriminator erforderlich sind. Die Temperaturstabilisie­ rung wird über eine elektrische Ansteuerung von Dual-Ga­ te-FET′s erreicht, wodurch eine Beschränkung auf niedri­ ge Frequenzen gegeben ist und Frequenzänderungen nur in engen Grenzen möglich sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikrowellen-Oszillator mit Temperaturstabilisie­ rung anzugeben, bei dem die Nachteile der bekannten Os­ zillatoren vermieden sind.
Diese Aufgabe wird bei einem Mikrowellen-Oszillator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeich­ nende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen angegeben.
Der erfindungsgemäße Mikrowellen-Oszillator weist nicht nur eine besonders hohe Frequenzstabilität auf, sondern ist auch kostengünstig realisierbar. Je nach der Art des verwendeten elektromagnetischen Wandlers ist entweder eine Grob-Abstimmung mit Hilfe einer Abstimm-Schraube oder gar keine mechanische Abstimmung erforderlich.
Die mit der Erfindung vorgeschlagene Verwendung einer Phasenregelschleife (PLL-Schaltung) ist an sich bekannt für sehr hoch stabilisierte Oszillatoren und Synthesi­ zer, also Oszillatoren die in Schritten abgestimmt wer­ den. In solchen bekannten Oszillatoren sind jedoch keine dielektrischen Resonatoren eingesetzt, sondern andere Bauelemente, üblicherweise steuerbare Kapazitäten oder steuerbare Induktivitäten. Obwohl dielektrische Resona­ toren wegen ihrer geringen Abmessungen und ihrer hohen Güte im Frequenzbereich von etwa 2 bis 50 GHz vorteilhaft eingesetzt werden können, wurden sie nicht in Verbindung mit einer Phasenregelschleife benutzt, weil sie als nichtsteuerbare, frequenzbestimmende Bauelemente angese­ hen wurden. Da jedoch die Resonanzfrequenz von dielek­ trischen Resonatoren über die elektromagnetische Feld­ konfiguration beeinflußt werden kann, ist es möglich, einen dielektrischen Resonator als frequenzbestimmendes Element mit variabler Frequenz zu verwenden. Dazu muß nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag die sonst übliche Abstimm-Schraube durch ein elektrisch ansteuerbares Ele­ ment ergänzt oder ersetzt werden, das den Abstand von Abstimmitteln zum dielektrischen Resonator in Abhängig­ keit von einem elektrischen Signal verändert. Dies wird mit einem elektromagnetischen Wandler, wie z.B. einem Piezo-Element, einem magneto-striktiven Bauelement oder einer Tauchspule erreicht. Die vorgeschlagene technische Lösung ist bei allen bekannten Oszillator-Varianten an­ wendbar. Darüber hinaus läßt sich das vorgeschlagene Ver­ fahren zur Abstimmung von dielektrischen Resonatoren auch für dielektrischen Resonatoren in Filtern vorteil­ haft anwenden. Schließlich kann die PLL-Abstimmung die­ lektrischer Resonatoren sowohl für Single-Gate- als auch Dual-Gate-FET′s benutzt werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs­ beispielen und der Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltungs-Schema eines Mikrowellen-Oszil­ lators mit dielektrischem Resonator und einer Phasenregelschleife,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für die Anordnung ei­ nes Piezo-Elementes als steuerbares Abstim­ mungselement in einem Mikrowellen-Oszillator gemäß Fig. 1.
Fig. 1 zeigt ein Schaltungs-Schema für einen Mikrowel­ len-Oszillator 1, dessen Ausgangssignal eine Frequenz f 0 hat, die über den nachstehend beschriebenen Phasenregel­ kreis mit einem dielektrischen Resonator 2 stabilisiert ist. Von einem Ausgangssignal A des Oszillators 1 wird ein Teil-Signal über einen Richtkoppler 3 ausgekoppelt und in einem Frequenzteiler 4 so aufbereitet, daß es in einem Phasenvergleicher 6 mit einem Referenzsignal R aus einem z.B. quarzgesteuerten Referenzoszillator 5 ver­ glichen werden kann. Der Phasenvergleicher 6 bildet ein Fehlersignal und setzt es um in ein Steuersignal S für einen elektromechanischen Wandler 7. Der elektromechani­ sche Wandler 7 verändert den Abstand eines Abstimmungs­ elementes 8 vom dielektrischen Resonator 2. Abstimmungs­ element 8 kann z.B. der Wandler 7 selbst sein.
Der Wandler 7 mit dem Abstimmelement 8 wirkt also in dem Phasenregelkreis als Stellglied, durch das das elektro­ magnetische Feld des dielektrischen Resonators 2 so be­ einflußt wird, daß das Fehlersignal im Phasenvergleicher 6 zu Null wird. Die erreichbare kurz- und langfristige Frequenzstabilität ist praktisch nur von der Stabilität des Referenz-Oszillators abhängig.
Als elektromechanischen Wandler 7 kann z.B. eine Tauch­ spule verwendet werden. Durch Veränderung des Spulen­ stromes in Abhängigkeit von dem Steuersignal S kann ein Hub - und damit eine Änderung des Abstandes des Abstim­ melements 8 vom dieleketrischen Resonator 2 - von eini­ gen Millimetern erreicht werden. Damit wird ein größerer Ziehbereich für die Frequenz f 0 möglich. Allerdings sind Tauchspulen wegen ihrer Vibrations- und Schockempfind­ lichkeit nicht für alle Anwendungsfälle geeignet.
Da im allgemeinen zur Stabilisierung der Frequenz f 0 ein sehr kleiner mechanischer Hub des Stellgliedes 7, 8 aus­ reicht, ist auch der Einsatz von Piezo-Elementen oder magnetostriktiven Elementen möglich, die nicht die Er­ schütterungsempfindlichkeit der Tauchspule aufweisen. Bei Piezo-Elementen wird der reziproke longitudinale oder reziproke transversale piezoelektrische Effekt aus­ genutzt, wobei sich das Element durch die elektrische Aufladung der Elektroden verlängert oder verkürzt. Ma­ gnetostriktive Elemente aus ferromagnetischen Stoffen ziehen sich zusammen oder dehnen sich in Feldrichtung unter dem Einfluß eines magnetischen Feldes.
Ein Ausführungsbeispiel für die Anordnung eines Piezoe­ lementes 9 als Wandler 7 und Abstimmungselement 8 ist in Fig. 2 dargestellt. Die Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt eines Gehäuses 10 mit einem Gehäusedeckel 11. Auf den Boden des Gehäuses ist ein Substrat 12 (z.B. eine Kera­ mikplatte) angeordnet, das eine Streifenleitung 13 eines nicht weiter dargestellten Streifenleitungsoszillators trägt. Neben der Streifenleitung 13 ist in bekannter Weise ein dielektrischer Resonator 2 angeordnet. Ober­ halb des dielektrischen Resonators 2 ist im Gehäusedek­ kel 11 eine Schraube 14 angeordnet zur Grob-Abstimmung des dielektrischen Resonators 2. An dem dem dielektri­ schen Resonator 2 zugewandten Ende der Schraube 14 ist das Piezo-Element 9 befestigt. Die Zuführung des Steuer­ stromes für das Piezo-Element 9 erfolgt über ein Durch­ gangsfilter 15 (mit elektrischer Tiefpaßcharakteristik), eine Drahtverbindung 16 zum Piezo-Element 9 und von dort zurück über die Schraube 14 und einen Masseanschluß 17 am Gehäusedeckel 11.

Claims (5)

1. Mikrowellen-Oszillator mit Stabilisierung durch einen dielektrischen Resonator, wobei der dielektrische Resonator durch Beeinflussung seines äußeren magneti­ schen oder elektrischen Feldes durch ein Abstimmittel abgestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abstim­ mung des dielektrischen Resonators (2) ein elektromecha­ nischer Wandler (7) vorgesehen ist, der den Abstand des Abstimmittels (8) vom dielektrischen Resonator (2) ver­ ändert und daß der elektromechanische Wandler (7) Stell­ glied in einem Phasenregelkreis ist.
2. Mikrowellen-Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenregelkreis durch nachste­ hende Einrichtungen gebildet ist:
  • - einen Richtkoppler (3) zur Auskopplung eines Teils eines Ausgangssignals (A) des Mikrowellen-Oszillators (1),
  • - einen Frequenzteiler (4), der das ausgekoppelte Sig­ nal aufbereitet für einen Phasenvergleich,
  • - einen Phasenvergleicher (6), der das aufbereitete Signal aus dem Frequenzteiler (4) vergleicht mit ei­ nem Referenzsignal (R) aus einem Referenzoszillator (5) und ein Steuersignal (S) bildet zur Steuerung des elektromechanischen Wandlers (7).
3. Mikrowellen-Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als elektromechanischer Wandler (7) eine Tauchspule vorgesehen ist.
4. Mikrowellen-Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als elektromechanischer Wandler (7) ein Piezo-Element (9) vorgesehen ist.
5. Mikrowellen-Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als elektromechanischer Wandler (7) ein magnetostriktives Element vorgesehen ist.
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